Klasse A versterkers

Laagfrequent versterkers
met 1 vermogentransistor

Jan Genoe

Februari 2026

Inleiding vermogenversterkers

Versterkers

Vermogenversterkers

Rendement

Gevolgen rendement

Meerdere trappen

In- en uitgangen

Vermogenversterkers komen typisch voor in de laatste trap van een elektronisch systeem. In het geheel van het systeem wordt er gewerkt met relatief kleine spanningen en vooral kleine stromen. Vermogenverliezen zijn derhalve niet belangrijk. In de laatste trap moeten dan de signalen versterkt worden om de belasting te kunnen aandrijven (zie voorbeeld in de figuur hieronder). En het kunnen aandrijven van de belasting is het onderwerp van deze cursus. De vermogenversterkers voor hoogfrequent signalen komen niet aan bod in deze cursus.

In de meeste gevallen zullen we eerst de spanningen versterken tot het gewenste niveau en in de daarna volgende stappen de stromen versterken. Vooral de laatste stappen, waar grote spanningen grote stromen voorkomen zijn in het ontwerp het belangrijkst aangezien hier de grootste verliezen optreden.

Belasting

• Belastingen die vermogen vragen hebben een belangrijke resistieve component.
• Belastingen die niet zuiver resistief zijn, kunnen in principe door een passend filter resistief gemaakt worden.
• In wat verder volgt, beschouwen we de versterker met een resistieve belasting.

Klasse A versterkers

Inleiding klasse A versterker

• Een klasse A versterker wordt als vermogenversterker gebruikt.
• Een klasse A versterker bestaat uit een enkele vermogentransistor (bipolaire transistor).
• Daarom beschouwen we eerst de mogelijkheden om een bipolaire transistor in te stellen (DC).
• Het DC-instelpunt is de DC-spanning waarop de AC-spanning (die versterkt moet worden) is gesuperponeerd.

Werkingsgebied bipolaire transistor

Werkingsgebied bipolaire transistor

$$ V_{BE} = 0.7 V $$

Werkingsgebied bipolaire transistor

$$ I_{E} = (\beta+1)I_{B} \approx I_{C}$$

Werkingsgebied bipolaire transistor

$$ I_{C} = \beta I_{B} $$

De vertrekbasis voor het ontwerp van een klasse A versterker is de karakteristiek van de vermogentransistor, zoals in de slide hierboven getoond wordt. Er zijn 3 beperkingen voor elke bipolaire transistor:

• Maximale stroom door de transistor
• Maximale spanning over de transistor
• Maximaal vermogen gedissipeerd door de transistor. Dit laatste is afhankelijk van de koeling van de transistor.

Daarnaast zijn er natuurlijk ook de eigenschappen zoals de voorwaartse spanning van de basis-emitter diode en de stroomversterking $\beta$.

Belang van het DC-instelpunt

Belang van het DC-instelpunt

Punt B is de beste keuze:

• zo groot mogelijke spanningszwaai
• zo groot mogelijke stroomzwaai
• lineaire versterking

Bij de keuze van de DC instelling is het belangrijk om zowel een grote spanningszwaai over de transistor te kunnen bekomen alsook een grote stroomzwaai over de transistor. Met deze karakteristieken lijkt het punt B de beste keuze, Op het einde van dit hoofdstuk komen we op deze keuze in detail terug.

Eerste instelling: vaste bias

Dit is het eerste klasse A schema waarvan we de instelling gaan uitwerken.

DC-equivalent van de eerste instelling

Voor de DC-instelling moeten we zowel IB (basisstroom) als IC (collectorstroom) en VC (collectorspanning) goed krijgen. Dit wil zeggen dat we de volgende parameters juist moeten kiezen:

• RB: De basisweerstand
• RC : De collectorweerstand
• VCC: de voedingsspanning

Basis-emitter lus van de eerste instelling

Collector-emitter lus van de eerste instelling

DC-equivalent van de eerste instelling: Oefening

Opl.:

• IB = 47.08 µA
• IC = 2.35 mA
• VCE = 6.83 V
• VB = 0.7 V
• VC = 6.83 V
• VBC = -6.13 V

Belastingslijn van de eerste instelling

We gebruiken de transistorkarakteristieken om het DC instelpunt (Q) te bepalen. Hiervoor variëren we parameters:

• De basisstroom IB
• De belastingsweerstand RC
• De voedingsspanning VCC De invloed van elk van deze parameters wordt aanschouwelijk voorgesteld op de volgende pagina’s.

[] Robert L. Boylestad, “Electronic Devices and Circuit Theory”, e edition, Copyright © by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey

Belastingslijn: afhankelijkheid van IB

De eerste parameter die we kunnen variëren is de basisstroom IB. We zien dat door een hogere basisstroom IB het DC instelpunt Q telkens op een hogere curve komt te liggen.

[] Robert L. Boylestad, “Electronic Devices and Circuit Theory”, e edition, Copyright © by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey

Belastingslijn: afhankelijkheid van RC

Deze figuur toont de invloed van de weerstand RC. We zien dat door het verhogen van RC van R naar R, het DC instelpunt Q horizontaal opschuift. [] Robert L. Boylestad, “Electronic Devices and Circuit Theory”, e edition, Copyright © by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey

Belastingslijn: afhankelijkheid van Vcc

Belastingslijn: Oefening

Oplossing:

• Vcc = 20V
• RC = 2 kΩ
• RB = 772 kΩ

Tweede instelling: emitter bias

Een tweede schema van de Klasse A versterker voert bijkomend emitter degeneratie in. Dit gebeurt aan de hand van de extra weerstand RE. De reden hiervoor is dat VBE van een bipolaire transistor gaat dalen als de temperatuur stijgt. In het geval dat de instelling niet mag verschuiven tussen het opstarten van de versterker (i.e. wanneer de vermogentransistor koud is) en het normale verbruik (i.e. wanneer de transistor warm is) is het nuttig emitter degeneratie in te voeren. Ook wanneer er pieken van zware belasting kunnen optreden en het gedrag van de versterker niet anders mag zijn na deze belastingspieken, is het goed emitter degeneratie in te voeren.

Basis-emitter lus van de tweede instelling

De berekening van de basisstroom IB verloopt nu op de bovenstaande wijze.

Invloed van RE in de basis-emitter lus

Een eenvoudig model kan hiervoor worden opgesteld, waarbij RE (b+1) maal groter is dan de nominale waarde.

Invloed van RE in de basis-emitter lus

De ingangsweerstand $R_i$ is nu ook $R_{E}$ (b+1).

Collector-emitter lus van de tweede instelling

De emitter-collector lus wordt op gelijkaardig wijze berekend.

DC-equivalent van de de instelling: Oefening

Oplossing:

• IB = 40.1 µA
• IC = 2.01 mA
• VCE = 13.97 V
• VC = 15.98 V
• VE = 2.01 V
• VB = 2.71 V
• VBC = -13.72 V

Belastingslijn van de tweede instelling

Q-punt = DC-instelpunt

de instelling: spanningsdeler bias

Vorige configuraties: DC-instelling van IC en VCE afhankelijk van β β is temperatuursafhankelijk β is niet nauwkeurig gekend Deze configuratie: DC-instelling onafhankelijk van β

Berekening van VB voor de de instelling

benadering bij βRE ≥ R

VB kan alleen maar onafhankelijk zijn van de ingangsstroom IB indien Ri veel groter is dan R

DC-instelpunt van de de instelling

DC-equivalent van de de instelling: Oefening

Bereken de DC-instelling van IC en VCE. Opl.: IC = ,mA; VCE = ,V

De oplossing aangegeven in de slide is uitgewerkt in de veronderstelling dat bRE >>> R (zie slide , rechter bovenhoek). Dan bekomen we dat VB= V. We kunnen ook de parallelschakeling uitrekenen zoals in de figuur van slide . Dan komen we uit dat VB= . V Vervolgens wordt dan: VE=.V en dan hebben we IE=. mA IB =IE/(+b) IB wordt dan . uA en IC wordt dan . mA. VCE= -. -.= . V We zien dat de benadering in de bovenhoek van slide een verschil geeft van .% ten opzicht van het meer nauwkeurigere resultaat.

Capacitieve koppeling van de belasting

Het rendement bedraagt hierbij ten hoogste , % Deze versterker is dus nauwelijks bruikbaar als vermogenversterker Vdd

Rechtstreekse aansluiting van de belasting

Rendement van ten hoogste % (bij volle uitsturing) % vermogenverlies in de transistor % vermogenverlies als DC stroom in de weerstand De meeste belastingen (bv luidsprekers) laten geen DC stroom toe Vdd

Het maximale rendement wordt hier op een gelijkaardige wijze als op de vorige pagina bepaald. Het is al een factor beter. Maar dit volstaat nog niet. Luidsprekers laten geen DC stroom toe omdat de boxen dan geen symmetrische zwaai kunnen bekomen.

Rendement bij een serieel gevoede belasting

Voor de drie configuraties die we hebben beschouwd, is de belasting (RL=RC) steeds serieel gevoed. De meeste belastingen (bv. luidsprekers) laten echter geen DC-stroom toe en kunnen dus niet serieel gevoed worden.

Serieel gevoede belasting: Oefening

Bereken het ingangsvermogen, uitgangsvermogen en rendement voor onderstaande versterker voor een ingangsspanning die resulteert in een basisstroom met een piekwaarde van mA.

Laat ons eerst naar het DC instelling kijken, dus zonder het AC signaal Vi dat dan later mA AC aan de basis zal leveren. De basis van de bipolaire transistor die aangestuurd wordt staat . V hoger als de emitter die op staat. Dus over de weerstand RB staat . V. Deze weerstand is KOhm, dus de DC basisstroom is . mA. Deze wordt maal versterkt dus de collectorstroom is . mA. In het totaal (instellingweerstand+vermogentransistor) moet de V voeding dus . mA+. mA= . mA leveren. Dit is . Watt in het totaal. In de weerstand RB (instelling) verbruiken we . W (. mA.V) en in de vermogentransistor en RC samen .W (. mA V) Vervolgens kijken we naar het AC vermogen. Er wordt door de bron mA piek AC aangestuurd naar de basis. Als een gevolg hiervan bekomen we mA aan de collector. Dit geeft een AC vermogen in Rc: Pac= Rac/ * Iac* Iac= .W. In de elektronica kijken we vaak naar het rendement van de laatste trap, de verbruiker van het grootste vermogen, zonder de instelling of voortrappen. Het is ook het gemakkelijkste en vraagt het minste rekenwerk. Indien dat gevraagd is, is = . W/ . W = . % Wanneer echter het systeemrendement gevraagd wordt, moet je alle verliezen en verbruikers inbrengen en kom je nog lager uit. In dit geval is het echter nog eenvoudig:  = . W/ . W = . %

Transformator-gekoppelde belasting

R’L = gereflecteerde belasting

Werking met transformator

DC-belastingslijn: weerstand van de primaire winding ≈ Ω (in werkelijkheid enkele Ω) AC-belastingslijn: gereflecteerde belasting R’L

Rendement met transformator

Transformator-gekoppelde belasting: Oefening

Bereken het AC-vermogen dat geleverd wordt aan de Ω luidspreker. De DC-instelling resulteert in een basisstroom van mA en het ingangssignaal resulteert in een basisstroom zwaai van mA. De karakteristiek van de transistor is gegeven in de grafiek aan de rechterkant.

Transformator-gekoppelde belasting: Oplossing

DC belastingslijn

Deze lijn verloopt zeer stijl Enkel de weerstand R’ is van belang Stabiele instelling is belangrijk om te voorkomen dat er in een zone van te hoge dissipatie gekomen wordt

AC belastingslijn-resistief

Excursie boven de voedingsspanning actieve element moet hiervoor bemeten zijn. Helling=/nRL Idoor Vover Vdd Helling=/R’ max P max Vover

AC belasting- inductief

inductieve belasting resistieve belasting maar laag frequent Wanneer er niet geldt wL >> RL gevolg : tijdelijk in hoge dissipatie

Nuttig vermogen

AC vermogen wordt bepaald door een rechthoek waarvan de zwaai de diagonaal is Kies de DC instelling zodanig dat het DC verbruik beperkt is Idoor Vover Vdd

Vermogen

Rendement

Laag rendement (nooit boven de %) vooral laag bij beperkte uitsturing

Opgestapelde energie

Opgepast met het verbreken van de belasting: de nieuwe belastingslijn ligt nu horizontaal de opgestapelde energie in het spoel zal leiden tot een veel te hoge spanning over de transistor max Vover

Oefening

Ontwerp een klasse A versterker met een luidspreker als belasting ( Ohm) en een nuttig muziekvermogen van W. De wikkelverhouding van de gekozen transformator is n= met een weerstand van de primaire wikkeling R’= Ohm. De vermogentransistor heeft een verzadigingsspanning van . volt en bF van . Wat is de nodige voedingsspanning? Hoe groot is de DC instelstroom aan de basis? Wat is de maximale spanning in het circuit bij maximaal vermogen? Wat is de maximale stroom in het circuit bij maximaal vermogen? Hoe groot is de AC stroomamplitude aangelegd aan de basis om W muziekvermogen te bekomen? Wat is dan het rendement?

Basisschema van de klasse A versterker

Basisschema van de klasse A versterker

SPICE code

* Spice file van een eenvoudige Klasse A versterker
R_R6         0 1  8
R_R7         3 2  1
L1_TX1       3 4 25m
L2_TX1       1 0 1m
K_TX1        L1_TX1 L2_TX1 1.
Q_Q5         4 5 0 Q2
I_I4         0 5  SIN(17m 15m 10k) DC=17m
V_VDD        2 0 66V

.model Q2  NPN(Is=14.34p BF=20 )

Stromen en Spanningen als functie van de tijd

Belastingskarakteristiek

SPICE code

* Spice file van een eenvoudige Klasse A versterker
R_R6         0 1  8
R_R7         3 2  1
L1_TX1       3 4 25
L2_TX1       1 0 1
K_TX1        L1_TX1 L2_TX1 1.
Q_Q5         4 5 0 Q2
I_I4         0 5  SIN(17m 15m 10k) DC=17m
V_VDD        2 0 66V

.model Q2  NPN(Is=14.34p BF=20 )

Stroom-spanning

spice code 100 kHz aansturing

* Spice file van een eenvoudige Klasse A versterker
R_R6         0 1  8
R_R7         3 2  1
L1_TX1       3 4 25m
L2_TX1       1 0 1m
K_TX1        L1_TX1 L2_TX1 1.
Q_Q5         4 5 0 Q2
I_I4         0 5  SIN(17m 15m 100k) DC=17m
V_VDD        2 0 66V

.model Q2  NPN(Is=14.34p BF=20 )

100 kHz aansturing

Ogenblikkelijk vermogen

I would rather have questions that can't be answered
than answers that can't be questioned.

Richard Feynman